後來，科學家們發現，一個性狀對另一個性狀呈顯性是常見的，但不是絕對的現象。某些情況下有“不完全顯性”，即子一代雜種是兩個親體的中間類型。例如，開深紅花的金魚草植株與開白花的植株雜交，產生的子一代雜種的花都呈粉紅色。產生這種結果的原因很簡單，因為粉紅色花的紅色素比深紅色花的紅色素要少，而白花中則一點紅色素也沒有。雙親的某個性狀都出現在子一代中的例子也很多，這稱為“共顯性”。例如，一個人從雙親那裏繼承了A型和B型血型，從而同時表現出A和B的血型。A和B兩種血型特有的物質(抗原)同時存在於這個人的血液中。
孟德爾種下了子一代雜種結出的種子，等它長成植株後使其自花授粉。在飽滿種子和皺縮種子兩種植株雜交的子二代植株上結出的同一莢果內同時出現了飽滿和皺縮兩種種子。他統計了這些種子的數目，其中有5474顆是飽滿的，1850顆是皺縮的，這個比值是296∶1，非常接近於3∶1。於是孟德爾又繼續做了其他的雜交實驗，結果都得出同樣的比值，在每一次試驗中，子二代出現的顯性性狀通常是隱性性狀的3倍。
孟德爾接著準備研究子二代的飽滿種子和皺縮種子是否真實遺傳的問題。他又在試驗地上播種了子二代種子，等長成植株後對它們進行自花授粉。結果，皺縮種子長成的植株自花授粉後隻產生皺縮的豌豆。但是，飽滿種子的情況則十分不同。盡管從外表上看它們很難區分，但這些飽滿種子卻有兩種類型：其中1/3的種子，種植後長成的植株隻產生飽滿種子；其他2/3長成的植株產生飽滿和皺縮的種子，比值為3∶1。這說明1/3的飽滿種子(或者說子二代全部種子的1/4)，是真實遺傳的，其餘2/3(或者子二代全部種的一半)像子一代雜種，它們長成的植株結出飽滿和皺縮種子的比例為3∶1。孟德爾又用其他性狀做這個實驗，其結果都完全相同。在每個試驗中表現出隱性性狀的子二代植株是真實遺傳的，它們的種子所產生的子三代植株與親本是完全相同的。但是，表現出顯性性狀的植株卻有兩類：1/3是真實遺傳的，另外2/3產生的子三代中，顯性和隱性性狀的比例為3∶1。也就是說，子代性狀產生了分離現象，而且這種分離還遵循著一定的規律。
以上所談到的孟德爾的實驗都是涉及單個性狀二者擇一的表達。如果同時考慮兩個性狀將會有怎樣的結果呢?孟德爾繼續用豌豆做他的實驗。他用種子飽滿而呈黃色的豌豆植株與種子皺縮而呈綠色的植株進行雜交。結果如預期的那樣，子一代(F1代)的所有豌豆都是飽滿和黃色的，再用子一代的植株(都是飽滿和黃色的)進行雜交，在子二代即“孫子”代中，出現了令人感興趣的結果。對他的實驗結果，孟德爾曾考慮到有兩種可能：第一種可能是來自親體的性狀將一起傳遞；第二種可能是這些性狀將彼此獨立地遺傳。孟德爾以他特有的洞察力從這些可能的選擇中作出了他的預測。如果第一種可能是正確的，即來自親體的性狀一起遺傳，那麼子二代隻有兩種種子：飽滿－黃色和皺縮－綠色，根據單性狀遺傳的規律，它們的比例將是3∶1。如果第二種可能是正確的，即性狀獨立遺傳，那麼將有四種種子：飽滿－黃色(兩種顯性性狀)、飽滿－綠色(顯性－隱性)、皺縮－黃色(隱性－顯性)、皺縮－綠色(兩種隱性性狀)，它們的比例將是9∶3∶3∶1，孟德爾從他的實驗地中發現他的子二代豌豆確實有四種類型：其中314顆是飽滿－黃色，108顆是飽滿－綠色，101顆是皺縮－黃色，32顆是皺縮－綠色。這個結果非常接近他所預計的9∶3∶3∶1的比例，因此孟德爾斷定，植物的不同性狀是獨立地傳遞的。
孟德爾在解釋他的豌豆實驗時，他引用了一個新的生物學概念叫“因子”，他把生物的相對性狀歸根於因子所決定，這些因子就是現在所說的基因。這些基因可通過配子從親代傳遞給子代。孟德爾在兩種性狀的各種組合中證實了獨立遺傳規律。他在親體同時有三個不同性狀的實驗中也證實了這個定律，這個實驗稱為“三因子雜交”。
考慮兩棵豌豆植株間進行雜交，其中母體的植株是飽滿－黃色－紫花，而父體的植株是皺縮－綠色－白花。那麼，他們的子一代雜種就是三基因雜合體，由於顯性的作用，它結飽滿－黃色種子並開紫花。如果這三對基因自由組合，那麼三雜合體植株將以相同的概率產生8種配子，來自兩個親體的8種配子之間隨機結合，將有27種遺傳性狀組成。因為顯性的作用，這27種遺傳性狀組成將減少到8種植株，它們之間預期的比例如下：27飽－黃－紫；9飽－黃－白，9飽－綠－紫；9皺－黃－紫；3飽－綠－白，3皺－黃－白；3皺－綠－紫；1皺－綠－白。孟德爾在實驗中所得到的數據的比例與這個比例完全相符。
孟德爾花了整整8年的時間，從春到秋，天天都全神貫注，小心翼翼地觀察著他的豌豆實驗，仔細記錄每一代“子孫”的各種特點，此外，孟德爾還做了大量繁瑣的工作，據統計在長達8年的實驗中，他一共栽培了數以千計的豌豆植株，進行了350次以上的人工授粉，挑選了一萬多顆各種性狀的種子。
豌豆實驗證實了孟德爾所預想的結果。於是治學態度嚴謹的他又用玉米、菜豆等植株品種做雜交實驗，以便確定在豌豆屬裏發現的遺傳規律是否也適用於其他植物品種。直到實踐證明，他的結論可以推廣到一般品種才肯罷休。
孟德爾遺傳規律
1865年2月8日下午，在布爾諾高等技術學院的一座小房子裏，正在舉行布爾諾自然科學研究會例會。研究會的秘書長耐塞爾教授站起來向大家宣布：“今天，將由格裏戈爾神父報告他的關於植物雜交試驗的新結果。”穿著黑色修士長袍，腋下夾著一疊論文的孟德爾緩步走上講壇。他那雙灰藍色的眼睛裏閃出自信、真誠的目光。
“植物的遺傳和變異有兩條規律可循。”當孟德爾宣布了這個結論後，全場鴉雀無聲，在座的每一個人都把專注的，滿懷興趣的，但又是疑惑的目光投向講壇。孟德爾頓了頓，繼續言辭清晰地講下去：
第一，當具有成對不同性狀的植物雜交時，所生第一代雜種(“兒子”)的性狀都隻與兩個親體(即雜交的“父”與“母”)中的一個相同，另一個親體的性狀則隱而不顯。這是顯性定律(也就是現在遺傳學上所說的孟德爾第一定律)。如將“兒子”們(雜種第一代)再自相雜交，所生“孫子”(雜種第二代)的性狀就不再相同，而會發生“分離”，而且顯性性狀的個體數與隱性性狀的個體數之間的比例是個常數——3∶1。這是分離定律(也就是孟德爾第二定律)。
第二，當同時具有兩對或兩對以上不同性狀的植物雜交(如圓粒兼黃色的豌豆雜交皺粒兼綠色的豌豆)，所生第一代雜種全是圓粒兼黃色的，而第二代雜種的每一對性狀各自按3∶1的比例獨立分離、互不幹擾，也即圓粒黃色的與圓粒綠色的比例是3∶1，而皺粒黃色與皺粒綠色的比例也是3∶1，這就是獨立遺傳定律，也叫自由組合定律(即孟德爾第三定律)。
接著，孟德爾款款細述導致這些結論的實驗經過，以及對這些結論的理論證明。在座的學者們，包括布爾諾最有名望的生物學家、化學家、植物學家都全神貫注地傾聽著，他們完全被這個新奇的理論吸引住了。
報告結束了，學者們向孟德爾鼓掌致意，不是熱烈的，而是有禮貌的掌聲。沒有人提出疑問，也沒有人大聲叫好，會後也沒有舉行討論。顯然，孟德爾的理論超越了與會者所能接受的水平。
在孟德爾以前的許多科學家也曾試圖解釋生物性狀是如何遺傳的問題。他們也用植物或動物進行雜交，然後觀察子代和親代的相似性。結果是令人迷惑不解的：子代的一些性狀像一個親體，另一些性狀像另一個親體，再一些性狀則顯然與哪一個親體也不相像。找不到明顯的規律性。而孟德爾卻取得了成功，這應歸功於他卓越的洞察力和實驗方法。他的定量研究的方法和數量統計能力簡直是驚人的，他所采用的遺傳學分析法——統計在適當雜交的子代中每一類個體的數目——現代仍在使用。這是20世紀50年代分子遺傳學發現之前惟一的遺傳學分析方法。除了這種成功的方法以外，孟德爾之所以成為天才的科學家，還在於他構思創建性理論時表現出的獨創性，雖然孟德爾的理論是作為一項假說而提出的，但他闡述得相當完美。
耐塞爾教授早已敏銳地預感到，孟德爾的遺傳學理論將來一定會被人們所接受，而且還可能帶來一場驚世駭俗的思想革命。在他的熱心支持和幫助下，1866年布爾諾自然學研究會會刊發表了孟德爾的題為《植物雜交實驗》的著作。遺憾的是，這部價值非凡的科學著作並沒有引起世界科學界的重視，它的絕大多數印本都被丟在圖書館裏無人問津。直到34年以後，即1900年，由荷蘭的德弗裏斯、德國的科倫斯和奧地利的丘爾馬克這三位生物學家，分別在自己的研究中重新發現了孟德爾的遺傳定律，才使淹沒多年的這個偉大學說走向世界，獲得了國際性聲譽。當然，孟德爾自己堅信這個理論對生物科學有“難以估計的意義”。他在晚年曾對他的朋友說：“我的時代一定會到來!”
作為優秀的科學遺產，孟德爾的遺傳學規律學說已載入了自然科學的史冊；作為一個偉大的生物學家，孟德爾“定量”實驗研究和統計分析的方法為科學工作者們開辟了一條成功之路。